不同时期超级杂交稻光合特性及氮素利用效率研究

黎 星 程慧煌 曾勇军 汪 勇 商庆银,*

(1 江西农业大学双季稻现代化生产协同创新中心/作物生理生态与遗传育种教育部重点实验室/江西省作物生理生态与遗传育种重点实验室/南方粮油作物协同创新中心，江西 南昌 330045；2 江西省棉花研究所，江西 九江 332105)

随着我国人口的不断增加和土地可耕种面积的逐渐减少，提高水稻单产是解决我国粮食安全问题的关键所在[1-2]。由此，为追求高产、更高产的超级杂交稻应运而生[3-4]。自1996年，农业部正式立项中国超级稻育种计划以来，为一季中稻相继设置了4期产量目标：10.5、12.0、13.5和15.0 t·hm-2，且在袁隆平提出杂交水稻“形态改良与杂种优势利用相结合”的超高产育种技术路线指引下，各个时期的超级杂交稻育种目标陆续实现。其中，两优培九于2000年实现第1期超级杂交稻产量目标；2004年代表性品种Y两优1号实现第2期目标；2011年Y两优2号平均达13.9 t·hm-2，实现了第3期超级杂交稻单产目标；2014年，第4期超级杂交稻代表品种Y两优900创造平均15.4 t·hm-2的高产纪录；2015年，正式启动第5期超级杂交稻育种攻关[5]。随着品种的改良和产量的不断突破，水稻对氮素的需求也不断提高。在现有的栽培体系中，部分农户盲目追求高产过量施用氮肥，不仅造成了资源的浪费，而且严重破坏了环境[6]。因此要确定适宜的施氮量，使其与作物对氮素需求量相一致，充分提高氮肥的利用效率，以期投入最少的氮肥而实现水稻的高产稳产[7]。

不同水稻品种间氮肥利用效率存在显著差异[8]。研究表明，水稻叶片的光合速率与氮素吸收有密切的联系。魏海燕等[9]认为叶片的光合特性与其氮肥利用效率密切相关，延缓叶片的光合时期可有效促进水稻对氮素的吸收，提高氮肥利用效率；聂军等[10]研究表明，施氮能够提高水稻叶绿素含量，增加光合速率，从而加快干物质的积累；马群等[11]指出光合时期长的水稻品种，净光合速率大，对氮素的需求量也大；裴鹏刚等[12]研究表明，适宜的施氮量可促进水稻茎蘖发生和有效穗形成，增加氮素和光合同化物积累，从而增加稻谷产量。目前，前人研究主要是针对水稻光合作用和施氮量的关系，而关于不同时期超级稻品种间光合速率和氮肥利用效率差异的内在机理尚不明确。为此，本试验采用农业部已认定的3个超级杂交稻品种两优培九、Y两优1号和Y两优2号及已达第4和第5期超级杂交稻产量水平的Y两优900和湘两优900[5]为试验材料，开展不同时期超级杂交稻氮素利用效率差异机理的研究，以期为超级杂交稻的育种及高产栽培提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点及供试品种

试验于2016-2017年在成新农场(116°15′E，28°92′N)进行，供试土壤类型为沙壤土，其理化性质为有机质24.3 g·kg-1、全氮1.5 g·kg-1、速效氮158.15 mg·kg-1、速效磷12.6 mg·kg-1、速效钾122.0 mg·kg-1、pH值5.4。供试品种为5个时期代表性超级杂交稻品种，分别为两优培九、Y两优1号、Y两优2号、Y两优900和湘两优900。

1.2 试验设计

采用裂区设计，肥料为主区，设置4个施氮水平，即纯氮用量分别为0(F0)、210(F1)、300(F2)和390(F3) kg·hm-2；品种为副区。施入氮肥按含氮率折合成尿素，按照基肥∶蘖肥∶穗肥=4∶2∶4比例施入。基肥于移栽前1 d施入，分蘖肥于移栽后7 d施入，穗肥于幼穗分化四期施入。各小区磷肥施用量为150 kg·hm-2，磷肥作基肥一次性施用。钾肥施用量为300 kg ·hm-2，其中50%作为基肥，50%于倒4叶期施用。各小区面积为30 m2(5 m×6 m)，重复3次。小区间采用塑料薄膜包埂，避免窜水窜肥。

由于5个品种的生育期不同，为确保同时抽穗，采用分期播种方式。2016年，Y两优900和湘两优900均于5月19日播种，其他品种于5月24日播种；2017年，Y两优900和湘两优900均于5月15日播种，其他品种于5月20日播种。移栽日期分别为2016年6月16日和2017年6月13日。收获日期分别为2016年10月11日和2017年10月9日。栽插密度为20 cm×30 cm，每穴插2苗。其他管理措施与当地高产栽培措施相同。

1.3 测定内容与方法

1.3.1 光合特性测定 在水稻灌浆期，选择晴朗无风的上午9：00-11:00利用 CI-340型便携式光合仪(美国CID公司)测定具有代表性植株的剑叶净光合速率(net photosynthetic rate，Pn)、气孔导度(stomatal conductance，Gs)、蒸腾速率(transpiration rate，Tr)和胞间CO2浓度(intercellular CO2concentration，Ci)。

1.3.2 比叶重、氮含量及氮素光合利用效率的测定 将测定光合特性后的植株取回，用小样叶面积法测定单株叶片叶面积指数(leaf area index，LAI)[13]，然后将叶片于105℃杀青30 min，80℃烘干至恒重后称量干物质重(dry matter weight，DM)，按照公式计算比叶重(specific leaf weight，SLW)：

SLW=DM/LAI

(1)。

将上述叶片粉碎，采用Foss-8400型全自动定氮仪(美国福斯公司)测定叶片氮含量(leaf nitrogen content，LNC)。按照公式分别计算单位叶面积氮含量(nitrogen content per unit leaf area, Na)和氮素光合利用效率(nitrogen photosynthetic utilization efficiency, PNUE)：

Na=(叶片全氮含量×比叶重)/100

(2)

PNUE=Pn/Na

(3)。

1.3.3 氮素利用效率 于成熟期按平均有效穗数每小区取水稻植株3穴，将茎鞘、叶片、穗分开，105℃杀青30 min，80℃烘至恒重。采用Foss-8400型全自动凯氏定氮仪测定植株的氮素含量。按照公式分别计算氮素农学利用率(nitrogen agronomic utilization，AEN)、吸收利用率(absorption utilization，REN)、氮素生理利用率(nitrogen physiological utilization，PEN)、氮素偏生产力(nitrogen partial productivity，PEPN)[14]：

AEN=(施氮区产量-不施氮区产量)/施氮量

(4)

REN=(施氮区植株地上部氮累积量-不施氮区植株地上部氮累积量)/施氮量×100%

(5)

PEN=(施氮区产量-不施氮区产量)/(施氮区地上部氮累积量-不施氮区地上部氮累积量)

(6)

PEPN=施氮区产量/施氮量

(7)。

1.3.4 实际产量及生物产量 在水稻成熟期，每个小区实收约4 m2进行测产。成熟期地上部干物质总量即为生物产量。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2010、DPS 19.0进行数据处理和分析。产量和地上生物量为 2016和 2017年数据，其他各项指标为2016年数据。

2 结果与分析

2.1 施氮量对不同时期超级杂交稻产量及生物产量的影响

方差分析表明，施氮量(F)和品种(C)对水稻实际产量和生物产量均有极显著影响(表1)。2016年与2017年趋势基本一致，随着施氮量的增加，2016、2017年两优培九、Y两优1号和Y两优2号的实际产量和生物产量均呈先增加后降低的趋势，且均在施氮量为F2水平时达到最高，其中2016年的实际产量分别为7.40、9.11和10.31 t·hm-2，2017年分别为6.82、8.48和9.14 t·hm-2；Y两优900和湘两优900的实际产量和生物产量随着施氮量的增加均表现为逐渐增加的趋势，且均在施氮量为F3水平时达到最高，其中2016年的实际产量分别为10.83和11.10 t·hm-2，显著高于F0和F1水平，但与F2水平无显著差异，2017年分别为8.19、8.00 t·hm-2。2016年平均实际产量表现为湘两优900>Y两优2号>Y两优900>Y两优1号>两优培九；2017年平均实际产量表现为Y两优2号>Y两优900>Y两优1号>湘两优900>两优培九。

表1 施氮量对不同时期超级杂交稻产量及地上部生物产量的影响Table 1 Effect of nitrogen application rate on yield and aboveground biomass of super hybrid rice in different periods /(t·hm-2)

注:同列不同小写字母表示相同品种的不同施氮量间差异显著(P<0.05)。*和**分别表示在5%和1%水平影响显著和极显著；ns表示影响不显著；F：施氮量；C：品种；FXC：施肥与品种互作。下同。

Note: Different lowercase letters in the same column indicate significant difference at 0.05 level among different nitrogen application amounts of the same variety.*and**indicate significant and positive effects at 0.05 and 0.01 level, respectively. ns indicates that there is no prominent influence. F: The amount of nitrogen application; C: Cultivar. FXC: The amount of nitrogen application and variety interaction. The same as following.

2.2 施氮量对不同时期超级杂交稻净光合速率及相关光合特征的影响

由表2可知，施氮量和品种对水稻Pn、Tr、Ci和Gs均有显著影响。各品种Pn均随着施氮量的增加呈先增加后降低的趋势，两优培九、Y两优1号和Y两优2号均在施氮量F2水平下达到最高，其中两优培九和Y两优1号的Pn与其他处理间差异显著；Y两优900和湘两优900的Pn在施氮量F1水平下最高。各品种平均Pn表现为Y两优900>Y两优1号>两优培九>湘两优900>Y两优2号。各时期超级杂交稻品种Ci随着施氮量的增加均呈先增加后降低的趋势。由表3可知，Pn与Tr呈显著正相关(r=0.54*)，与Ci呈极显著正相关(r=0.67**)，而与Gs相关性不显著。

表2 施氮量对不同时期超级杂交稻净光合速率及相关光合特征的影响Table 2 Differences in net photosynthetic rate and related photosynthetic characteristics of super hybrid rice at different stages during nitrogen application rate

表3 不同施肥条件下各品种净光合速率与相关光合特征的相关关系Table 3 Correlation between Pn and related photosynthetic characteristics of different varieties under different fertilization conditions

注：*和**分别表示在5%和1%水平显著和极显著相关。

Note:*and**indicate significant and positive correlation at 0.05 and 0.01 lvel, respectively.

2.3 施氮量对不同时期超级杂交稻SLW、LNC、Na和PNUE的影响

施氮量和品种对氮素光合利用效率(PNUE)、叶片氮含量(leaft nitrogen content， LNC)和单位面积氮含量(Na)均存在显著或极显著影响，但施氮量整体上对比叶重(SLW)无显著性影响，而品种对SLW存在极显著影响(表4)。除两优培九和Y两优2号的Na呈先增加后减少趋势外，各超级杂交稻品种的LNC和Na均随着施氮量的增加而增加。除两优培九、Y两优1号的PNUE无明显变化规律外，其他品种的PNUE均随着施氮量的增加整体上呈逐渐下降的趋势。各超级杂交稻品种的SLW的平均值依次表现为Y两优900>湘两优900>Y两优1号=Y两优2号>两优培九。由线性回归分析可知，PNUE和Pn与SLW均无显著线性相关关系，Na与PNUE呈极显著线性负相关，与Pn呈极显著线性正相关，Pn与PNUE呈显著线性负相关(图1)。

图1 各品种之间SLW、Pn、Na和PNUE的线性关系Fig.1 The linear relationship between SLW, Pn, Na and PNUE among varieties

表4 不同施肥条件下各时期超级稻品种之间SLW、N、Na和PNUE的差异比较Table 4 Comparison of SLW, N, Na and PNUE among different varieties under different fertilization conditions

2.4 施氮量对不同时期超级杂交稻氮素利用率的影响

由表5可知，施氮量对不同时期超级稻的氮素农学利用率(AEN)、偏生产力(PEPN)和氮素吸收利用率(REN)有极显著或显著影响，但对氮素生理利用率(PEN)无显著影响。两优培九、Y两优1号和Y两优2号的AEN均在F1水平下达到最高，且均随着施氮量的增加呈逐渐下降的趋势；Y两优900和湘两优900的AEN随着施氮量的增加均呈先升高后下降的趋势，且在F2水平下达到最高。各时期超级杂交稻品种的PEPN随着施氮量的增加均呈显著下降的趋势，其中湘两优900的平均PEPN最高，而两优培九最低。

对不同品种而言，Y两优900、湘两优900的平均AEN、REN、PEN和PEPN均高于其他3个品种，说明随着超级杂交稻品种的改进，超级杂交稻在肥料利用率上得到了相应的改善。

表5 施氮量对不同时期超级杂交稻氮素利用率的影响Table 5 Effect of nitrogen application rate on nitrogen use efficiency of super hybrid rice in different periods

3 讨论

3.1 施氮量对不同时期超级杂交稻产量的影响

氮肥是水稻生长发育的三大营养元素之一，施氮量可以直接影响水稻产量[15]。谢小兵等[16]研究表明，施氮量对超级稻产量有显著影响，在华南双季稻区施氮量为161～176 kg·hm-2时水稻干物质积累较多，产量和氮肥利用率得到显著提高。付景等[17]研究发现超级稻在低氮和高氮水平下均能获得较高产量，但在高氮条件下更有利于其发挥生理和产量优势。李迪秦等[18]指出，当施氮量为210 kg·hm-2时超级稻叶面积指数、干物质积累量、群体光合辐射截获量和利用率均增加，产量最高。本研究发现施氮量对不同时期超级稻产量和生物产量均具有极显著影响。前3期超级杂交稻产量随施氮量的增加呈先增加后下降的趋势，在施氮量为300 kg·hm-2水平时最高；后2期超级杂交稻产量随施氮量的增加而增加，但施氮量为390 kg·hm-2与300 kg·hm-2产量差异不显著，这与前人研究[16-18]结果不尽相同。究其原因，可能是由于栽培品种、措施和生态区不同所致。本研究结果表明，前3期超级杂交稻品种对氮肥的耐受性更弱，对氮肥的敏感性更强，当氮肥投入超过其耐受值，地上部生物量减少，最终产量不增反减。后2期超级稻品种对氮素的耐受性更强，地上生物量和产量均随施氮量增加而持续增加，这可能与育种专家选育高耐受性基因品种有关。因此，后2期超级杂交稻品种的氮肥临界浓度还有待于进一步探究。

3.2 不同时期超级杂交稻氮素利用效率与施氮量的响应机制

氮素是调节水稻生长发育的重要因子，对水稻植株生理生化代谢、光合特性等有重要影响[19-21]。杨建昌[22]认为，不同水稻品种对氮肥的响应存在一定差异，这与氮素吸收利用率和氮素生理利用效率的共同作用有关。本研究中，各时期超级稻品种的PEPN随着施氮量的增加呈逐渐降低的趋势，前3期超级杂交稻品种AEN随着施氮量的增加呈降低趋势，后2期超级杂交稻品种则随着施氮量的增加呈先上升后下降的趋势，说明肥料投入超过一定范围，各时期超级稻品种氮素吸收利用均会下降。这与前人研究结果[23-28]相同。与前3期品种相比，后2期超级杂交稻对氮肥的吸收利用虽然较高，尤其是在AEN和REN方面，但施氮量超过F2水平后则表现出下降的趋势，结合产量分析可知，为保证高产高效，超级杂交稻的施氮量最好控制在F2水平，即300 kg·hm-2。

3.3 不同时期超级杂交稻光合特性差异

光合作用是水稻物质生产的基础，水稻产量的90%来自叶片的光合作用，水稻叶片光合作用强弱对产量起着至关重要的作用[29-32]，因此，育种家们不断地对水稻的光合特性进行改良[33-36]。剧成欣等[37]研究表明，随着水稻品种的改良，各品种的Pn、Gs和Tr均显著提高。本研究中，Y两优900的平均Pn为最高。此外，Pn与Ci呈极显著正相关，但与Gs的相关性不显著，说明Ci对各时期超级杂交稻的Pn影响最为重要，而Gs不是影响各时期超级杂交稻品种Pn的关键因素。这可能是由于各时期超级杂交稻叶片均具备与外界气体顺利交换的条件，从而限制光合速率的主要因素聚集在胞间CO2浓度上。本研究中，随着品种的改良，5个超级杂交稻叶片LNC、Na和PNUE虽有所变化，但均未达到显著水平，而SLW和 PEN却随品种的改良呈逐渐增加的趋势，说明超级杂交稻在叶片形态和氮素吸收利用上得到了较大幅度的改良，而本试验中各品种在PNUE和光合生理方面的改善却不明显，可能是Ci或其他关键因子限制了各时期超级杂交稻光合特性的发挥，但由于光合作用是复杂的内部生理生化反应，而本试验对这方面的研究尚显不足，因此关于各时期超级杂交稻生理生化差异仍需更深入的研究。

4 结论

施氮量对不同时期超级杂交稻产量和地上生物量有显著影响。前3期超级杂交稻产量和生物产量随着施氮量的增加呈先增加后下降的趋势，在施氮量为300 kg·hm-2水平时最高。后2期超级杂交稻产量和生物产量随着施氮量的增加而增加。随着施氮量的增加各品种Pn、SLW、REN均呈先增加后下降的趋势，而PEPN均呈逐渐降低的趋势。随着品种的演进，超级稻LNC和SLW得到明显改善，而光合生理特性和氮素光合利用率无明显变化。综上所述，为保证光合速率和氮肥利用效率，实现水稻高产高效，不同时期超级杂交稻的施氮量最好控制在300 kg·hm-2。